Illustrazione schematica della strategia sperimentale:Fasci di DNA a doppio filamento (grigio) formano gabbie tetraedriche. I filamenti di DNA a singolo filamento sui bordi (verde) e sui vertici (rosso) corrispondono a filamenti complementari su nanoparticelle d'oro. Ciò si traduce in una singola particella d'oro intrappolata all'interno di ciascuna gabbia tetraedrica, e le gabbie che si legano insieme da nanoparticelle d'oro legate a ciascun vertice. Il risultato è un reticolo di nanoparticelle cristalline che imita l'ordine a lungo raggio del diamante cristallino. Le immagini sotto lo schema sono (da sinistra a destra):una mappa di densità crio-EM ricostruita del tetraedro, una particella ingabbiata mostrata in un'immagine TEM con colorazione negativa, e un superreticolo di diamante mostrato ad alto ingrandimento con cryo-STEM. Credito:Brookhaven National Laboratory
Usando filamenti di DNA impacchettati per costruire gabbie tetraedriche simili a Tinkertoy, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno escogitato un modo per intrappolare e disporre le nanoparticelle in modo da imitare la struttura cristallina del diamante. Il raggiungimento di questo complesso ma elegante arrangiamento, come descritto in un documento pubblicato il 5 febbraio, 2016, in Scienza , può aprire la strada a nuovi materiali che sfruttano le proprietà ottiche e meccaniche di questa struttura cristallina per applicazioni come transistor ottici, materiali che cambiano colore, e materiali leggeri ma resistenti.
"Abbiamo risolto una sfida durata 25 anni nella costruzione di reticoli diamantati in modo razionale tramite l'autoassemblaggio, " ha detto Oleg Gang, un fisico che ha guidato questa ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab in collaborazione con scienziati della Stony Brook University, Università Wesleyana, e l'Università di Nagoya in Giappone.
Gli scienziati hanno impiegato una tecnica sviluppata da Gang che utilizza il DNA fabbricato come materiale da costruzione per organizzare le nanoparticelle in disposizioni spaziali 3D. Hanno usato fasci simili a funi di DNA a doppia elica per creare rigidi, cornici tridimensionali, e ha aggiunto pezzi penzolanti di DNA a singolo filamento per legare particelle ricoperte con filamenti di DNA complementari.
"Stiamo usando costrutti di DNA dalla forma precisa realizzati come un'impalcatura e legami di DNA a singolo filamento come una colla programmabile che abbina le particelle secondo il meccanismo di accoppiamento del codice genetico:A si lega a T, G si lega a C, " ha detto Wenyan Liu del CFN, l'autore principale della carta. "Questi costrutti molecolari sono elementi costitutivi per la creazione di reticoli cristallini fatti di nanoparticelle".
La difficoltà del diamante
Come ha spiegato Liu, "Costruire superreticoli di diamante da particelle su scala nanometrica e micrometrica mediante l'autoassemblaggio si è dimostrato notevolmente difficile. Mette alla prova la nostra capacità di manipolare la materia su piccola scala".
Le ragioni di questa difficoltà includono caratteristiche strutturali come una bassa frazione di impaccamento, il che significa che in un reticolo di diamante, a differenza di molte altre strutture cristalline, le particelle occupano solo una piccola parte del volume reticolare e una forte sensibilità al modo in cui sono orientati i legami tra le particelle. "Tutto deve combaciare in questo modo senza alcuno spostamento o rotazione delle posizioni delle particelle, "Gang ha detto. "Dal momento che la struttura del diamante è molto aperta, molte cose possono andare storte, portando al disordine».
"Anche costruire tali strutture una per una sarebbe impegnativo, "Liu ha aggiunto, "e dovevamo farlo mediante l'autoassemblaggio perché non c'è modo di manipolare miliardi di nanoparticelle una per una".
Il precedente successo di Gang utilizzando il DNA per costruire un'ampia gamma di array di nanoparticelle ha suggerito che un approccio basato sul DNA potrebbe funzionare in questo caso.
Gli scienziati del Brookhaven Lab Center for Functional Nanomaterials (CFN) Kevin Yager, Huolin Xin, Wenyan Liu (seduto), Alex Tkachenko (indietro), e Oleg Gang sono con un campione di superreticoli di nanoparticelle d'oro collegati utilizzando il DNA fabbricato come materiale da costruzione. Lo schermo del computer mostra i risultanti reticoli cristallini FCC semplici (sinistra) e diamante (destra) formati dalle nanoparticelle, come rivelato dalla microscopia elettronica a trasmissione crio-scansione al CFN. Credito:Brookhaven National Laboratory
Assemblaggio guide DNA
Il team ha utilizzato per la prima volta i fasci di DNA simili a corde per costruire "gabbie" tetraedriche, un oggetto 3D con quattro facce triangolari. Hanno aggiunto legami di DNA a singolo filamento che puntano verso l'interno delle gabbie usando T, G, C, Una sequenza che corrispondeva a legami complementari attaccati a nanoparticelle d'oro. Quando mescolato in soluzione, i legami complementari si sono accoppiati per "intrappolare" una nanoparticella d'oro all'interno di ciascuna gabbia del tetraedro.
La disposizione delle nanoparticelle d'oro all'esterno delle gabbie è stata guidata da un diverso insieme di catene di DNA attaccate ai vertici dei tetraedri. Ogni set di vertici è legato con legami di DNA complementari attaccati a un secondo set di nanoparticelle d'oro.
Quando mescolato e ricotto, gli array tetraedrici formano superreticoli con ordine a lungo raggio in cui le posizioni delle nanoparticelle d'oro imitano la disposizione degli atomi di carbonio in un reticolo di diamante, ma su una scala circa 100 volte più grande.
"Sebbene questo scenario di assemblea possa sembrare irrimediabilmente libero da vincoli, dimostriamo sperimentalmente che il nostro approccio porta al reticolo diamante desiderato, snellendo drasticamente il montaggio di una struttura così complessa, " ha detto Gang.
La prova è nelle immagini. Gli scienziati hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione criogenica (cryo-TEM) per verificare la formazione di strutture tetraedriche ricostruendo la loro forma 3D da più immagini. Quindi hanno utilizzato lo scattering di raggi X a piccolo angolo in situ (SAXS) presso la National Synchrotron Light Source (NSLS), e microscopia elettronica a trasmissione crio-scansione (crio-STEM) al CFN, per visualizzare gli array di nanoparticelle nel reticolo completamente costruito.
"Il nostro approccio si basa sull'auto-organizzazione dei vertici smussati di forma triangolare dei tetraedri (le cosiddette "impronte") su particelle sferiche isotrope. Queste impronte triangolari si legano a particelle sferiche ricoperte di DNA complementare, che consente alle particelle di coordinare la loro disposizione nello spazio l'una rispetto all'altra. Però, le impronte possono disporsi in una varietà di modelli su una sfera. Risulta che un particolare posizionamento è più favorevole, e corrisponde all'esclusivo posizionamento 3D delle particelle che blocca il reticolo del diamante, " ha detto Gang.
Il team ha supportato la loro interpretazione dei risultati sperimentali utilizzando modelli teorici che hanno fornito informazioni sui principali fattori che determinano la formazione di successo dei reticoli di diamante.
Implicazioni scintillanti
"Questo lavoro porta su scala nanometrica la complessità cristallografica vista nei sistemi atomici, " ha detto Gang, che ha notato che il metodo può essere facilmente ampliato per organizzare particelle di diverse composizioni materiali. Il gruppo ha dimostrato in precedenza che i metodi di assemblaggio del DNA possono essere applicati a ottiche, magnetico, e anche nanoparticelle catalitiche, e probabilmente produrrà i nuovi materiali ottici e meccanici a lungo ricercati che gli scienziati hanno immaginato.
"Abbiamo dimostrato un nuovo paradigma per la creazione di complesse strutture ordinate in 3D tramite l'autoassemblaggio. Se riesci a costruire questo reticolo impegnativo, il pensiero è che puoi costruire potenzialmente una varietà di reticoli desiderati, " Egli ha detto.
